Utlenianie biologiczne – to proces pozyskiwania energii przez komórki na drodze rozkładu związków organicznych do prostych substancji chemicznych.
C₆H₁₂O₆ + 6O₂ --- > 6CO₂ + 6H₂O + energia

Reakcje oddychania komórkowego zachodzą na trzech szlakach metabolicznych:

• Glikoliza, w której glukoza przekształcana jest do kwasu pirogronowego i powstają niewielkie ilości ATP oraz NADH. Zachodzi w cytozolu.

• Cykl Krebsa określany także cyklem kwasu cytrynowego lub cyklem kwasów trikarboksylowych, w którym kwas pirogronowy po przekształceniu do acetylo-CoA w cyklu przemian przekształcany jest do CO2 z wytworzeniem NADH, FADH2 oraz GTP lub ATP.

• Oddychanie końcowe, czyli mitochondrialny łańcuch transportu elektronów i fosforylacja oksydacyjna. W tym etapie zredukowane nukleotydy NADH, FADH2 są utleniane. W efekcie szeregu reakcji powstaje woda, a uwalniana energia zamieniana jest na ATP.

Oddychanie komórkowe a spalanie :

Podczas utleniania następuje stopniowy (schodkowy) sposób wydzielania energii, natomiast podczas spalania jest to nagły jedno etapowy proces. Energia wyzwolona podczas utl. biol. jest magazynowana w postaci wiązań wysokoenergetycznych w ATP, co nie następuje podczas spalania.

PRZEBIEG ŁAŃCUCHA ODDECHOWEGO

Kompleks I nazywany dehydrogenazą NADH pobiera elektrony z NADH znajdującego się w macierzy mitochondrialnej i przekazuje je na ubichinon – chinon, który ze względu na swój hydrofobowy charakter może swobodnie przemieszczać się w błonie mitochondrialnej. Ubichinon po przyjęciu dwóch elektronów pobiera z matriks mitochondrialnej dwa protony i przechodzi w swoją zredukowaną formę – ubichinol. W skład kompleksu I wchodzi kilka przenośników elektronów, w tym mononukteotyd flawinowy (FMN) oraz kilka białek z centrami żelazo-siarkowymi. NADH może być utleniane przez kompleks I jedynie w matriks mitochondrialnym, gdyż tylko po tej stronie białko kompleksu posiada miejsce wiązania NADH. Podczas utleniania NADH protony z matriks mitochondrialnej przenoszone są do przestrzeni międzybłonowej. Przejściu dwóch elektronów z NADH na ubichonon towarzyszy przeniesienie czterech protonów z matriks do przestrzeni międzybłonowej.

Kompleks II to jeden z enzymów cyklu Krebsa – dehydrogenaza bursztynianowa zawierająca kilka centrów żelazo-siarkowych oraz dinukleotyd flawinoadeninowy redukowany podczas przekształcania bursztynianu w fumaran. Elektrony ze zredukowanego FADH2 podobnie jak w przypadku kompleksu I przekazywane są za pośrednictwem centrów Fe-S na ubichinon, który ulega redukcji do ubichinolu. Kompleks II nie jest białkiem transbłonowym i nie posiada zdolności do przenoszenia protonów przez wewnętrzną błonę.

Zredukowany na kompleksie I lub II ubichinon (ubichinol) przemieszcza się w błonie mitochondrialnej do kompleksu III łańcucha oddechowego nazywanego kompleksem bc1 lub oksydoreduktazą ubichinon-cytochrom c. Kompleks ten zawiera dwa cytochromy b, białko Rieskiego oraz cytochrom c1. Na kompleksie III zachodzi cykl Q, w wyniku którego dodatkowe protony przemieszczane są z matriks do przestrzeni międzybłonowej. Elektrony ze zredukowanego ubichinonu przenoszone są na cytochrom c – niewielkie hydrofilowe białko znajdujące się po stronie przestrzeni międzybłonowej, które po zredukowaniu na kompleksie III przenosi elektrony na kompleks IV.

Kompleks IV to oksydaza cytochromowa, która obiera elektrony od cytochromu c i przekazuje je na cząsteczkę O2. Po przeniesieniu 4 elektronów z macierzy mitochondrialnej pobierane są 4 proton i powstają dwie cząsteczki H2O. Podsumowując – substraty, redukując kolejne układy o coraz to wyższym potencjale, tracą stopniowo energię, zużywaną na wytworzenie gradientu protonowego.

1.	Reduktaza NADH/CoQ FMN, Fe-S
2.	koenzym Q
3.	Reduktaza cytochromowa cytochrom b –hem b cytochrom c1 – hem c1 Fe-S
4.	Cytochrom c (hem c)
5.	Oksydaza cytochromowa hem a1 z Fe^+3, Cu^+2, hem a3 z Fe^+3, Cu^+2,
6.	tlen
7.	Dehydrogenaza bursztynianowa FAD, Fe-S

Fosforylacja oksydacyjna to sprzężony z oddychaniem proces syntezy ATP zachodzący w mitochondrium, w wyniku przeniesienia elektronów z NADH i FADH₂ na O₂ przez szereg przenośników elektronów (łańcuch oddechowy). Umożliwia on organizmom tlenowym (aerobom) pozyskanie znacznie większej części dostępnej energii swobodnej substratów oddechowych w porównaniu z organizmami beztlenowymi (anaerobami).

Źródłem energii do syntezy ATP jest wytworzony przez łańcuch oddechowy przezbłonowy gradient

stężenia protonów i pH. Ta różnica potencjału elektrochemicznego wykorzystywana jest przez „jednostki fosforylujące”, pokrywające wewnętrzną powierzchnię błony mitochondrialnej

Związek	Zastosowanie	Wpływ na fosforylację oksydacyjną
Cyjanek, tlenek węgla, azydki	Trucizny	Hamują oksydazę cytochromową
Oligomycyna	Antybiotyk	Hamuje syntezę ATP
Rotenon, amytal	Insektycyd, antybiotyk	Hamuje transport elektr w dehydrogenazie NADH
Jabłczan, szczawiooctan		Kompetytywnie hamuje dehydrogenazę bursztynianową (kompleks II)

Przemiany kataboliczne węglowodanów:

Polisacharydy ------ > monosacharydy ----- > glukoza glikoliza ( --- >pirogronian --- > acetylo – CoA)

GLIKOLIZA

Etapy glikolizy:

1. Wytworzenie triozo fosforanów

2. Utlenianie aldehydu 3 – fosfoglicerynowego

3. Przemiany 3 – fosfoglicerynianu do pirogronianiu

REGULACJA GLIKOLIZY: (r. nieodwracalne)

• Heksokinaza glukozowa

• Fosfofruktokinaza ( ATP/AMP, cytrynian, fruktozo – 2,6 – bisfosforan, jony H⁺ )

• Kinaza pirogronianowa

OKSYDACYJNA DEKARBOKSYLACJA PIROGRONIANU

Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu jest katalizowana przez kompleks wieloenzymatyczny, zwany dehydrogenazą pirogronianową, zlokalizowaną w macierzy mitochondrialnej. W przebiegu tego procesu pirogronian ulega dekarboksylacji (odłącza CO2), a pozostający fragment dwuwęglowy utlenia się do acetylo-S-CoA. Nieodwracalność procesu sprawia, iż pirogronian nie może odtwarzać się z acetylo-S-CoA, dlatego acetylo-S-CoA nie może być substratem w procesie glukoneogenezy.

Enzym	Koenzymy	Katalizowana reakcja
Dehydrogenaza pirogronianowa	Pirofosforan tiaminy	Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu
Acetylotransferaza dihydroliponianowa	Kwas liponianowy Koenzym A	Przeniesienie grupy acetylowej na CoA
Dehydrogenaza dihydroliponianowa	FAD NAD^+	Regeneracja utlenionej formy lipoamidu

1.Pirogronian przy udziale dehydrogenazy pirogronianowej ulega dekarboksylacji do hydroksyetylowej pochodnej pierścienia tiazolowego difosfotiaminy

2.Pochodna ta reaguje z utlenionym lipoamidem będącym grupa prostetyczna drugiego enzymu tworzącego kompleks – acetylotransferazy dihydrolipoamidowej. Acetylolipoamid reaguje z CoA-SH, tworząc acetylo-CoA i zredukowany dihydrolipoamid

3.Zredukowany lipoamid jest ponownie utleniony przez dehydrogenazę dihydrolipoamidową zawierająca FAD

CYKL KREBSA

Cyklem Krebsa nazywamy ciąg reakcji zachodzących w matrix mitochondrialnej, polegający na

katabolizmie reszt acetylowych (kwasu octowego) z uwolnieniem równoważników wodorowych. Rola cyklu jest dwojaka. Po pierwsze dostarcza on substratów dla łańcucha oddechowego w postaci atomów wodoru przenoszonych na FAD i NAD+, ponadto dostarcza energii poprzez fosforylację substratową. Po drugie stanowi węzłowy punkt metabolizmu, gdyż kończą się na nim lub od niego zaczynają liczne szlaki metaboliczne: jest to punkt końcowy katabolizmu podstawowych składników pokarmowych (węglowodanów, lipidów i białek), jak również punkt wyjścia dla: glukoneogenezy, syntezy KT, transaminacji i dezaminacji.

Enzymy cyklu zlokalizowane są w macierzy mitochondrialnej albo w formie wolnej albo przyłączone do

wewnętrznej powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej – ułatwia to przenoszenie równoważników redukujących na odpowiednie enzymy łańcucha oddechowego, umiejscowionego również w wewnętrznej błonie mitochondrialnej.

REGULACJA CYKLU KREBSA

1. SYNTAZA CYTRYNIANOWA

- enzym allosteryczny

(+) Ca²⁺, ADP

(─) ATP, NADH, acyloCoA, bursztynyloCoA

2. DEHYDROGENAZA IZOCYTRYNIANOWA

- enzym allosteryczny

(+) ADP, Ca²⁺

(─) ATP, NADH

3. DEHYDROGENAZA αKETOGLUTARANOWA

- aktywny nieufosforylowany

(+) Ca²⁺

(─) ATP, GTP, NADH, bursztynyloCoA

INHIBITORY:

fluorooctan

- hamuje akonitazę

malonian

- inhibitor kompetycyjny dehydrogenazy bursztynianowej

arszenik

- hamuje enzymy współdziałające z kwasem liponowym – kompleksy katalizujące oksydacyjną dekarboksylację pirogronianu i α-ketoglutaranu

BILANS ENERGETYCZNY ODDYCHANIA KOMÓRKOWEGO

GLIKOLIZA:

Fosforylacja glukozy - 1 ATP

Fosforylacja fruktozo-6-fosforanu -1 ATP

Fosforylacja substratowa (1,3-difosfoglicerynian) 2 ATP

Fosforylacja substratowa (pirogronian) 2 ATP

Utl. ald. 3-fofsfoglicerynnowego – 2 cząst NADH

DEKARBOKSYLACJA PIROGRONIANU:

2 cząst. NADH

CYKL KREBSA:

2 cząst. GTP z 2 cząst. bursztynylo Co-A 2 ATP

Utl. 2 cząst. Izocytrynianu, ketoglutaranu, jabłczanu – 6 cząst NADH

Utl. 2 cząst. Bursztynianu – 2 cząst. FADH₂

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA:

2 cząst. NADH z glikolizy – po 1,5 ATP 3 ATP (5 ATP)

2 cząst. NADH z dekarboksylacji pirogronianu - po 2,5 ATP 5 ATP

2 cząst. FADH₂ z cyklu Krebsa – po 1,5 ATP 3 ATP

6 cząst. NADH z cyklu Krebsa – po 2,5 ATP 15 ATP

WYDAJNOŚĆ NETTO NA JEDNĄ CZĄSTKĘ GLUKOZY 30 (32) ATP

CYKL PENTOZOFOSFORANOWY

Cykl pentozofosforanowy służy do biosyntezy węglowodanów, w wyniku czego mogą tworzyć się cukry o różnej liczbie atomów węgla. NADPH jest wykorzystywany jako dawca elektronów i protonów niezbędnych w biosyntezie kwasów tłuszczowych. W organizmie człowieka szlak pentozofosforanowy intensywnie zachodzi w tkance tłuszczowej. W mięśniach szkieletowych tego typu przemiany są mało intensywne, gdyż lepiej szybko utlenić glukozę do C0₂ i H₂0. Substratem w tym cyklu jest glukoza. Enzymy szlaku stanowią składnik cytozolu.

Znaczenie: pentozy są wykorzystywane do syntezy nukleotydów i zw. pochodnych; erytrozo – 4 – P (+ kw. pirogr.) do syntezy aminokwasów aromatycznych; w org. niezdolnych do fotosyntezy jest źródłem NADH + H⁺; rybulozo – 5 – P może stanowić substrat do asymilacji CO₂ w cyklu Calvina.

FAZA OKSYDACYJNA:

FAZA NIEOKSYDACYJNA:

GLUKONEOGENEZA

Przez glukoneogenezę rozumiemy wszystkie mechanizmy i szlaki metaboliczne odpowiedzialne za

przekształcanie związków niewęglowodanowych w glukozę lub glikogen. Pełen zestaw enzymów niezbędnych do glukoneogenezy zawierają wątroba i nerki. Enzymy zlokalizowane są w matriks mitochondrialnej (karboksylaza pirogronianowa), w cytozolu (karboksykinaza PEP i Fru-1,6-bisfosfataza) oraz na błonach.

Reakcje właściwe:

CYKL GLIOKSYLANOWY

Zmodyfikowany cykl Krebsa u roślin oleistych. Umożliwia przekształcenie cukrowców w tłuszczowce. Acetylo – CoA wchodzi do cyklu 2 razy. Do etapu izocytrynianu wszystko przebiega identycznie. Liaza izocytrynianowa rozkłada izocytrynian do bursztynianu i do glioksylanu.